Оценка возможности получения биоводорода при декарбонизации полигонов твердых коммунальных отходов

   В статье рассматривается актуальная задача энергетической утилизации твердых коммунальных отходов, большая часть которых в настоящее время захоранивается на полигонах. Приводится оценка выбросов парниковых газов с данных антропогенных объектов. Отмечается, что перспективным направлением утилизации свалочного биогаза является получение биоводорода. Авторами приводятся результаты лабораторных исследований по получению биометана из органосодержащих отходов с дальнейшей его конверсией в биоводород. На примере крупного полигона твердых коммунальных отходов показан возможный геоэкологический эффект за счет снижения эмиссии парниковых газов при энергетической утилизации биогаза.

1. Kaza, S., Yao, L.C., Bhada-Tata, P. and Van Woerden, F. What a Waste 2.0: A Global Snapshot of Solid Waste Management to 2050. Urban Development. World Bank, Washington DC, 2018. doi: 10.1596/978-1-4648-1329-0.

2. Yaashikaa P.R. et al. A review on landfill system for municipal solid wastes: Insight into leachate, gas emissions, environmental and economic analysis. Chemosphere, 2022. Volume 309, Part 1, 136627. doi: 10.1016/j.chemosphere.2022.136627.

3. IPCC: Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, 2014, 1454 p.

4. Zhang, C., Xu, T., Feng, H., Chen, S. Greenhouse Gas Emissions from Landfills : A Review and Bibliometric Analysis. Sustainability 2019, 11, 2282. doi: 10.3390/su11082282.

5. Gómez-Sanabria, A., Kiesewetter, G., Klimont, Z. et al. Potential for future reductions of global GHG and air pollutants from circular waste management systems. Nat Commun 13, 106 (2022). doi: 10.1038/s41467-021-27624-7.

6. David Meng-Chuen Chen et al. The world's growing municipal solid waste: trends and impacts. Environ. Res. Lett., 2020, 15, 074021. doi: 10.1088/1748-9326/ab8659.

7. Outlook for biogas and biomethane: Prospects for organic growth, IEA, Paris, 2020. https://www.iea.org/reports/outlook-for-biogas-and-biomethane-prospects-for-organic-growth.

8. Ravindra Kumar, Anil Kumar, Amit Pal. Overview of hydrogen production from biogas reforming: Technological advancement. International Journal of Hydrogen Energy, 2022. Volume 47, Issue 82. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.08.059.

9. Swartbooi, A., Kapanji-Kakoma, K.K., Musyoka, N.M. From Biogas to Hydrogen: A Techno-Economic Study on the Production of Turquoise Hydrogen and Solid Carbons. Sustainability 2022, 14, 11050. doi: 10.3390/su141711050.

10. Cristina Antonini et al. Hydrogen production from natural gas and biomethane with carbon capture and storage – A techno-environmental analysis. Sustainable Energy Fuels, 2020, 4, 2967-2986. doi: 10.1039/D0SE00222D.

11. Pedro J. Megía et al. Hydrogen Production Technologies: From Fossil Fuels toward Renewable Sources. A Mini Review. Energy Fuels 2021, 35, 20, 16403–16415. doi: 10.1021/acs.energyfuels.1c02501.

12. Howarth, R.W., Jacobson, M.Z. How green is blue hydrogen? Energy Sci Eng., 2021, 9, 1676–1687. doi: 10.1002/ese3.956.

13. Lebrouhi B.E. et al. Global hydrogen development - A technological and geopolitical overview. International Journal of Hydrogen Energy, 2022. Volume 47, Issue 11, 7016-7048. doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.12.076.

14. Working Paper | Hydrogen on the Horizon: National Hydrogen Strategies. World Energy Council, 2021. URL: https://www.worldenergy.org/publications/entry/working-paper-hydrogen-on-the-horizon-national-hydrogen-strategies.

15. Cheng, W., Lee, S. How Green Are the National Hydrogen Strategies? Sustainability, 2022, 14, 1930. doi: 10.3390/su14031930.

16. Распоряжение Правительства РФ от 9 июня 2020 г. № 1523-р Об Энергетической стратегии РФ на период до 2035 г.

17. Fernando Vidal-Barrero et al. Hydrogen production from landfill biogas: Profitability analysis of a real case study. Fuel, 2022. Volume 324, Part A, 124438. doi: 10.1016/j.fuel.2022.124438.

18. Sharma, M., Pramanik, A., Bhowmick, G.D., Tripathi, A., Ghangrekar, M.M., Pandey, C., Kim, B.-S. Premier. Progress and Prospects in Renewable Hydrogen Generation : A Review. Fermentation 2023, 9, 537. doi: 10.3390/fermentation9060537.

19. Hydrogen from landfill gas. H2-international Blog. URL: https://h2-international.com/2022/05/07/hydrogen-from-landfill-gas/.

20. El Mashad, H. & Zhang, R. Biogas Energy from Organic Wastes. In Holden, N. M., Wolfe, M. L., Ogejo, J. A., & Cummins, E. J. (Ed.), Introduction to Biosystems Engineering, 2020. doi: 10.21061/IntroBiosystemsEngineering/Biogas.

21. Anelia Milbrandt, Brian Bush, and Marc Melaina. Biogas and Hydrogen Systems Market Assessment. National Renewable Energy Laboratory (NREL). Technical Report NREL/TP-6A20-63596, March 2016, 40 p. https://www.nrel.gov/docs/fy16osti/63596.pdf.

22. El-Shafie, M., Kambara, S. and Hayakawa, Y. Hydrogen Production Technologies Overview. Journal of Power and Energy Engineering, 2019, 7, 107-154. doi: 10.4236/jpee.2019.71007.

23. Методы получения водорода в промышленном масштабе. Сравнительный анализ / Шафиев Д.Р., Трапезников А.Н., Хохонов А.А., Агарков Д.А., Бредихин С.И., Чичиров А.А., Субчева Е.Н. // Успехи в химии и химической технологии. — 2020. — Т. 34. № 12 (235). —С. 53–57.

24. Современные подходы к получению водорода из углеводородного сырья / И.А. Макарян, И.В. Седов, А.В. Никитин, В.С. Арутюнов // Научный журнал Российского газового общества. — 2020. — № 1. — С. 50–68.

25. Franchi, G., Capocelli, M., De Falco, M., Piemonte, V., Barba, D. Hydrogen Production via Steam Reforming: A Critical Analysis of MR and RMM Technologies. Membranes 2020, 10, 10. doi: 10.3390/membranes10010010.

26. Nuria Sánchez-Bastardo, Robert Schlögl, and Holger Ruland. Methane Pyrolysis for Zero-Emission Hydrogen Production: A Potential Bridge Technology from Fossil Fuels to a Renewable and Sustainable Hydrogen Economy. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2021, 60(32), 11855-11881. DOI: 10.1021/acs.iecr.1c01679.

27. Lúcia Bollini Braga et al. Hydrogen production by biogas steam reforming: A technical, economic and ecological analysis. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013. Volume 28, pp. 166-173. doi: 10.1016/j.rser.2013.07.060.

28. Чусов А.Н., Масликов В.И., Молодцов Д.В. Исследования состава биогаза на полигоне твердых бытовых отходов // Безопасность в техносфере. Т. 2. № 6 (45) — М.: Изд-во Форум, 2013. — С. 24–28.

29. Chusov, A.N., Maslikov, V.I., Molodtsov, D.V., Zhazhkov, V.V., Riabuokhin, O.A. Assessment of zonal distribution of methane on MSW landfills in northern regions for its usage in local power engineering. Magazine of Civil Engineering, 2015, 58 (6), pp. 44–55. doi: 10.5862/MCE.58.5.

30. Автоматизированный учебно-научный лабораторный комплекс "Биореактор" для исследования процессов биоразложения твердых бытовых отходов / М.П. Федоров, А.В. Черемисин, В.И. Масликов // Региональная экология № 3-4, 2001. — С. 51–54.

31. Лабораторные исследования разложения отходов в биореакторах для оценки биогазового потенциала и выбора мероприятий по рекультивации полигонов ТБО / А.Н. Чусов, В.И. Масликов, Е.Ю. Негуляева, Д.В. Молодцов А.В. Черемисин // Научно-технические ведомости СПбГПУ № 2-2(147)/2012 — СПб.: Изд-во Политехн, ун-та, 2012. — С. 229–235.

32. Экспериментальный комплекс для производства водорода из органосодержащих отходов для применения в топливных элементах / М.П.Федоров, В.И. Масликов, А.Н. Чусов, Д.В. Молодцов // Научно-технические ведомости СПбГПУ № 4(135)/2011 — СПб.: Изд-во Политехн, ун-та, 2011. — С. 35–41.

33. Zubkova M.Yu., Maslikov V.I., Molodtsov D.V. and Chusov A.N. Experimental research of hydrogenous fuel production from biogas for usage in fuel cells of autonomous power supply systems. Advanced Materials Research, 2014, 941-944, pp. 2107-2111. http://www.scientific.net/AMR.941-944.2107.

34. Технология использования в топливных элементах водородосодержащей смеси на основе биогазов для энергообеспечения автономных потребителей / А.Н. Чусов, М.Ю. Зубкова, В.В. Кораблев, В.И. Масликов, Д.В. Молодцов // Научно-технические ведомости СПбГПУ №4-1(183)/2013 — СПб.: Изд-во Политехн, ун-та, 2013. — С. 78–86.

35. Fedorov, M., Maslikov, V., Korablev, V., Politaeva, N., Chusov, A., Molodtsov, D. Production of Biohydrogen from Organ-Containing Waste for Use in Fuel Cells. Energies 2022, 15, 8019. doi: 10.3390/en15218019.